1 序言

检重秤, 全程在线检重秤, 又名自动检重秤、重量分选秤/分拣秤。属于动态高精度在线称重自动化设备, 可与各种包装生产线以及输送系统集成配套, 主要用于在线检测产品重量是否合格、包装内是否缺少部件或产品重量存档。在线检重设备在现代工业生产, 特别是食品、医药行业的生产过程中已逐步成为一个不可缺少的环节。

在线检重秤, 在产品的输送过程中就完成对产品重量的测量, 并将测量重量和预先设定的范围相比较, 由控制器发出指令, 将重量不合格产品剔除, 或把不同重量范围的产品分送到指定区域。从上述检重秤工作流程的描述中, 我们可以看出, 如果将检重秤的机械部分比喻成“骨架肌肉”, 那么控制器就是它的“大脑”, 所以在电气控制系统中, 检重控制仪表这个“大脑”是足够否聪明可靠, 直接决定了检重秤工作的效率和稳定性。

2 检重秤的电气控制系统架构和选型

检重秤的电气控制系统可大体分成, 控制部分、传感器部分和执行部分。根据控制部分常见分类方式, 我们可以将检重秤的电气控制系统架构归成三类:

2.1 变送器+PLC

这种变送器+PLC的组合, 由于其结构简单, 体积紧凑, 成本较低。常用于精度要求不高, 速度较低的场合。根据变送器输出的信号类型, 可将变送器分为模拟量变送器和数字量变送器。

模拟量变送器, 是利用标准模拟量信号进行数据传输 (如4mA～20mA、0V～10V等) , 具有反应灵敏, 传输速度较快, 应用技术难度低, 产品型号丰富等优点。此类产品有德国BAYKON的TX12、TX11, 德国AST的BA660/661, 日本unipulse的LC1111、LC240等型号。

但是由于模拟量存在先天缺陷, 其信号传输信息少, 距离短, 易衰减, 抗干扰性差等缺点。尤其在变频技术普及的今天, 无法消除电磁磁场的干扰, 信号稳定性很差。另外, 由于本身是动态过程, 也无法有效滤其杂音信号。随着电子信息技术, 通讯总线技术的发展, 数字量变送器开始逐步替代模拟量变送器。

数字量变送器具有传输信息量大, 距离远, 抗干扰性强的特点。尤其是随着以太网、Profibus、CANbus、CC-LINK、Device Net等高速总线的加入, 使得数字量变送器通讯速度较慢的瓶颈被打破 (以太网通讯速率可达100M/S) 。尤其是在数字生产线, 智能工厂等现代化生产场景中, 数字变送器便利的组网能力, 使其更具活力。德国BAYKON的TX2系列的TX2-PN、TX2-EN, 日本unipulse的F156、F160等型号都是数字量变送器的典型代表。

2.2 通用控制仪表+触摸屏+PLC

通用控制仪表 (controller) 相对于变送器而言, 价格适中, 拥有功能更完善的信号处理硬件, 可以提供更多的参数, 来抑制和消除现场的各种干扰因素, 数据的运算处理能力也相较于变送器有大幅提高, 这大大减轻了技术人员编写程序时的负担, 在提高项目效率的同时, 也提高了系统的稳定性可靠性。另外某些高档通用仪表支持“货号”功能, 这样可以灵活的实现“一线多产品”的方案, 大大减少了用户的重复性投入, 对于组建柔性自动化生产线 (flexible manufacturing system) 具有重要意义。如日本unipulse的F701-P、F701-C、F741-C、F820等称重控制器仪表。

触摸屏 (touch screen) 的应用, 大大增强了人机的交互性, 极大的提高操作人员的操作便利性, 并且为进一步强化设备系统数据的统计管理提供了支持, 这对于现在“大数据”背景下的现代化生产时极为重要的。

但是这种架构也有其自身的一些缺陷, 由于采用的是通用型控制仪表, 所以从先天设计上就不是为了动态检重作为第一目标, 所以在硬件和软件并有进行有针对性的系统优化, 故在一般检重场景下还能勉强胜任, 一旦涉及高速、高精度的检重任务时就会力不从心。所以推荐下面第3种专业电气系统架构方案。

2.3 专用检重控制仪表+触摸屏+PLC

专用检重秤仪表, 从研发开始就是立足于针对动态检重这种专业应用, 所以在先天上就具有优势, 尤其是在算法和硬件上更是进行了专业专门的优化, 反应迅速, 准确, 可靠。尤为擅长高速, 高精度的检重场合。而这一类仪表又分为基本型和高档型。

基本型检重仪表, 如日本unipulse的F741-C和F701-P都属于此类。该类型仪表, 价格适中, 具备简单的控制IO端口, 带有基本的通讯功能, 如F701-P标配485端口支持MODBUS协议, F741-C可配置西门子PLC高速Profibus-DP接口, 还可以根据需要选配其他通讯端口, 足够应对一般检重场景。

高档型检重控制仪表, 如日本unipulse的F805AT-CK和F650-CK。相对于基本型, 此类仪表功能更为强大, 通讯接口丰富。在高速度, 高精度检重时, 可以凭借其专用仪表的特点, 使得设备效率更高, 更稳定。由于高档型专用检重是专业型仪表, 其功能设计上几乎可以覆盖绝大多数的应用场景, 所以这极大的减少了设计人员和技术人员的工作量, 降低了技术难度, 大大缩短了新设备的研发和调试周期。关键凭借自身专业的处理算法和相关硬件, 大幅提升了系统的效率和准确性, 这是一般技术人员技术能力所不及的。

对于高级型检重专用仪表, 下面以日本unipulse的F650-CK为例对高档型检重专业控制器进行分析。

3 专业检重专家F650-CK的特点

3.1 信号处理能力

一台检重秤只有能够快速采集到大量的数据, 并且能从各种数据中找出有效数据并剔除干扰数据, 才能够为后续的数据处理运算控制提供坚实的基础。俗话说“巧妇难为无米之炊”, 再强大的控制系统, 如果没有可靠的数据采集处理能力, 那也是花架子。信号的处理能力可从两个方面分析, 采样能力和滤波处理。

3.1.1 采样能力

在高速检重时, 只有保证采集到足够多的数据信息, 才能有效的减少了漏判和误判的情况。

如果信号数据只有单纯的高速采样, 没有与之配套的高速处理输出能力, 这样就会形成“茶壶煮饺子, 有嘴倒不出”的尴尬局面, 这样的能力只能说是“伪高速采样能力”。无论技术参数标称有多少, 都是忽悠。

F650-CK采样速度高达1000次/秒, 通过其TFT彩色触摸屏, 可以将检重过程的重量数据以平滑波形的形式表现出来, 由于波形的绘制是需要大量的数据点和高速运算来支持的, 更何况是在极短的时间内 (几乎是实时绘制波形图) 完成采集运算处理到绘制波形的整个过程, 这足以证明F650-CK要比某些单纯显示数值的检重仪表在采样能力方面要强悍的多。这是其他品牌的仪表目前都无法超越的。

此外凭借优异的高速数据处理能力, F650-CK仪表在某些模式下, 根据现场检测物体、皮带速度等情况, 仪表还支持对读取区间采样速率的切换, 以实现更好的精准检重。

3.1.2 滤波处理

滤波处理, 简单点说就是对信号“去伪存真”。由于在线检重秤, 总是在一个不停运动的动态平台上进行检重的, 所以不可避免的会受到振动、冲击, 环境及电磁干扰等各种因素的干扰, 这在高速、高精度、小量程的动态检重秤台表现的尤为突出。所以滤波能力的强弱, 直接会影响动态检重的准确性和可靠性。

现有的滤波方式可根据实现方式分为硬件滤波和软件滤波。硬件滤波, 优点是效率高, 滤波效果相对容易实现, 但是缺点是成本高。软件滤波, 优点是成本低, 方便灵活, 缺点时滤波效果较依赖于技术人员算法水平高低。

F650-CK有丰富可靠的软硬件滤波设计, 滤波设置范围较广, 在动态检重时可以有效滤除抑制振动等干扰因素, 实现快速准确的称量。由于现行仪表滤波的工作机制的限制, 效率和稳定性之间是存在矛盾的 (比如数字滤波, 滤波越强, 显示值越稳定, 但反应越慢) 。滤波参数细化为数字低通滤波和移动平均滤波两个独立参数, 相较于提供一个笼统的滤波参数, 可以更具针对性的滤除干扰因素, 更好的平衡稳定和效率之间的关系。并且通过“滤波前显示”功能 (如图1所示) , 现场操作人员可以很方便的观察滤波设置前后, 波形的变化, 方便对于滤波效果的可视化确认, 降低调试难度, 提高设备检测效果。

图1   下载原图

图中曲折线是滤波前的波形图中平滑线是滤波后的波形现场人员, 可以很方便的看到设备滤波前后的波形变化, 从而确认最优参数和设备运行情况。

3.2 应用能力

以皮带检重秤的为例, 产品经由传送带整齐等间距地进入重量检测传送带, 重量检测机便开始检测该产品的重量, 并把数据显示到显示器上, 并与预先设定好的标准重量值、上下限值等产品参数进行比较, 并进行合格的产品、超重的产品、欠重的产品的辨别及分选。从上述工作流程中可见, 产品的重量值是一个由0爬升到一个相对稳定的重量值再下降到0的过程 (如图2所示) 。

由于动态检重秤的特性决定, 并不是所有的重量数据都是有效的, 只有物体全部在秤台上那短暂时间内的重量数据才是有效的, 所以如何准确的剔除无效数据, 同时又要尽量多的获取有效数据, 对现场操作人员来说无疑是个挑战。

传统的解决方案, 是通过各种延时参数通过时间设定, 来保留有效重量数据, 这种方式从根本上就存在剔除无效数据不够准确的问题, 尤其是高速检重, 仅有短短的几十毫秒甚至几毫秒的有效数据采集时间, 根本无法做出准确判断。这样就导致容易漏检或错检。本质上, 也是忽悠的障眼法的假精度, 需要再进行抽样称重核实其有效性。

F650-CK解决方案, 是通过绘制真实数据波形图来进行分析, 利用不同颜色来区别 (如图3、图4所示) 哪些数据是有效的哪些数据是无效的, 这样使得操作人员一目了然, 大大缩减了设备调试的时间, 提高了设备的运行准确度。 (F650-CK的时间轴最短可以设置为0.2S)

图2   下载原图

图3   下载原图

3.3 高级功能

3.3.1 装载两个工件间隙小于秤台长度时

有时会因为要提高生产效率或是节拍错乱, 导致一个工件尚未完全离开检重秤台, 下个工件已经开始上来了, 这种情况往往会因为两个工件同时在秤台上, 导致错检或是漏检。

但是F650-CK凭借其强大的算法和丰富的参数设置, 可以分别准确的判断两个产品的重量, 减少误判情况。同时这还有利于提高工件之间的最小间距, 大大提高检重效率。这是目前没有其他品牌有相同能力做到的。

图4   下载原图

3.3.2 强大的输入输出I/O功能

随着现代化生产对于精确性的追求越来越高, 在检测工件时, 仅仅依靠计时的方法, 已经无法满足高速高精度的检重需求, 此时就需要引入一些辅助传感器 (如光电检测传感器) , 或者是需要提供检重过程中的一些相关节点信号, 以期来完成更为精确的检重状态控制。

F650-CK的I/O拥有10进10出, 且支持自定义功能的, 这极大的方便了技术人员对设备的灵活设计, 同时节约了项目的硬件投入 (可减少PLC的点数) , 外围辅助设备和仪表直接连接, 减少了中间环节, 有利于提高设备的工作效率和可靠性。

3.3.3 称量代码功能

现代化生产越来越追求低耗能、智能化、柔性化, 在线检重也提出了能一表多用, 一线多用的需求。F650-CK自身可内置8种称量代码 (货号功能) , 通过通讯或是参数可以很方便的而完成不同工件检测参数的切换调用, 大大提高了检测系统的灵活性, 为用户在提升检重线的智能化, 多样化方面提供了基础。

3.3.4 丰富的工作模式

在线动态检重, 由于工件和检测方式的多样性, 导致其面临的工作挑战极其复杂多变, 干扰因素又多, 所以需要检重控制仪表要有很强的灵活性和稳定性, 来适应不同的工作场景。

F650-CK拥有[SAMPLE][PEAK][ARITHMETIC][REMOVAL][STABILITY]共5种的检重读取模式, 使用户可以根据现场情况更具针对性的灵活选取相关模式, 减轻了现场调试的负担, 节约了时间, 同时还能获得更好的系统稳定性和准确性。

3.4 多功能性

F650-CK除了可以作为一款强大的检重控制仪表使用外, 还可以做多级分选秤仪表使用, 支持进行多达11级分选分拣。凭借良好的软硬件基础, 可以应付高要求高速度的多级分选。通过棒状图和统计功能, 用户可以对各分选物的分布趋势, 做到一目了然。

3.5 数据管理和通讯能力

伴随着产业升级, 智能工厂, 工业4.0的兴起, 现代化的生产对于生产数据的需求也达到了一个新的高度。不管是生产工艺的精益化, 还是质量都离不开对数据的采集和管理。而这又往往需要用一个网络, 将分布于各处的生产节点给联合起来, 伴随着工控通讯技术的发展, 通讯组网的方式应时而生。

F650-CK控制仪表, 自带数据统计功能。方便操作人员查阅的同时, 也提高了对于生产线上产品品质的把控能力。

F650-CK还可选配丰富的外部接口:模拟量输出、RS232C、485、BCD、CC-link、Device Net。此外除自己开发的多种通讯协议格式外, 还支持Modbus-RTU等常用的标准通讯协议。为组网通讯和与其他设备进行交互提供了可靠地基础。

4 其他灵活应用

除了上述常规用法, 由于F650-CK自身的强大功能, 可以将其作为一台检测设备系统功能性的检测仪表来使用, 如同设备制造质量的审核员。

利用其可以查看“滤波前显示”功能, 我们就可以对检重设备的运行状态过程进行分析。

例如:

A.如果被检物体, 通过检重台的时间总是有差别, 那就有可能存在皮带速度不均匀, 整理装置设计不合理等因素。这样我们可以通过F650-CK仪表进行分析, 凭借分析结果, 进一步的改进和完善检重设备。

B.如果滤波前的波形波动很多, 波形趋势很乱, 这就说明采集来的信息存在较多的干扰, 需要我们对设备进行检查, 找出干扰源, 并进一步优化设计。

这样的灵活应用很多, 欢迎感兴趣的技术人员交流合作。

检重技术, 是最为典型的连续动态检测技术。我国大都还停留在静态检测技术的改良阶段, 与国外先进技术还存在着较大的距离, 不仅是硬件的差距, 而且软件的数学建模及处理也存在较大差距。我们希望国内技术人员能通过了解先进技术, 将我国的高速动态称重测量技术上升到国际水平。